深水海洋钻井平台振动特性研究

海洋油气勘探力度的加大使钻井平台的使用量增加,结构的振动行为对平台的使用与维护都具有重要影响。通过建立海洋平台的悬臂梁模型,对结构进行质量、刚度和阻尼等效,分析了结构的单自由度自由振动响应和承受简谐外激载荷时的受迫振动响应。通过对振动响应幅值求极值,得到对应与阻尼比相关的频率比,此时系统出现共振现象。对于小阻尼比系统,当外激频率接近固有频率时易出现共振现象。     

海底管道固有频率影响因素分析

由于海床表面的凹凸不平,管道连接处产生的残余应力以及海流和波浪对海底土壤的冲刷等因素,都会导致海底输油管道不可避免地出现悬跨。海流流经悬跨段并伴随漩涡的脱落,从而激发管道的涡激振动,当漩涡的脱落频率接近管道的固有频率时,将诱发涡激共振,长时间的涡激共振可能会造成管道很大的变形,甚至会造成管道的突发性断裂和破坏。因此,为了避免涡激共振的发生,正确地分析悬跨段管道的涡激振动,计算管道系统的固有频率,对于海底管道系统在服役期间能够安全正常运行具有非常重要的意义。利用ABAQUS软件对管道进行建模分析,采用模态分析法对管道的固有频率进行计算,利用控制变量法分析了管道悬跨长度、管道外径、金属外径、混凝土壁厚以及管道两端约束情况对管道固有频率的影响。     

水中管道悬跨节段涡激力下的动力响应分析

海流流经水中管道悬跨节段而形成涡激振动,涡激振动是趋向于增加悬浮管道应力数值、引起管道失稳、决定管道使用寿命的主要因素。将水中悬跨管段简化为简支梁并建立计算模型,在考虑流固耦合作用的基础上建立动力响应方程;利用ANSYS软件模拟水中管道的悬跨节段,分析不同模态阶数、悬跨长度和管道置水深度对管道动力响应的影响。结果表明,第一阶模态对振动位移的影响较大;管道的振动位移随着悬跨节段长度的增加而逐渐增大,随着管道置入水深的增加而逐渐减小。研究结果为水中管道的安全监测和悬跨节段的设计提供科学理论依据。     

基于Stribeck模型的自激系统分岔混沌特性研究

为了能够深入研究摩擦自激振动系统的振动-摩擦耦合动力学特性,建立基于Stribeck摩擦模型的质体 弹簧-带摩擦自激振动系统非线性动力学模型,利用数值仿真,研究自激振动系统在不同系统阻尼系数条件下,不同外部激励振幅和激励频率分别对自激振动系统分岔与混沌特性的影响。结果表明,当激励频率不变,无量纲激励振幅在0～1.5区间,系统持续准周期运动的时间随阻尼系数的增加而逐渐增长。振幅在10～11区间阻尼系数相对较小时,系统除倍周期分岔外还存在Hopf分岔;在阻尼系数相对较大时,系统为倍周期分岔。激励振幅不变,激励频率接近于派生系统固有频率时,为单周期同步振动;激励频率向大于派生系统固有频率方向变化时,为准周期运动;激励频率向小于派生系统固有频率方向变化时,为混沌运动。     

牙轮钻头旋转破岩引起的钻柱纵向振动研究

由于钻柱的大长径比特性,外加钻头破岩过程中井底凹凸不平,钻柱系统极易产生纵向振动。这类振动会加剧下部钻具失效、影响井身质量、浪费系统能量,最终降低钻井效率并增大钻井成本,甚至可能导致安全事故。在合理假设的基础上,通过建立牙轮钻头旋转破岩时钻柱纵向振动的力学模型,建立并求解其运动微分方程,得到钻柱的纵向振动响应。研究表明在阻尼作用下,钻头在具有初始位移后所引起的振动迅速衰减并趋于消失,钻头的实际纵向运动轨迹类似于正弦曲线。在50~120 r/min范围内(现场常用转速),振幅放大系数随着转速的增大而减小。由于正常钻进时激励频率远高于钻柱系统的固有振动频率,因此初始位移对钻头纵向振动的振幅放大系数影响比较小。     

轴承座受冲击条件下转子系统碰摩动力学行为研究

针对基础受冲击激励的一转子-轴承系统,在线性和非线性范围内分别建立了其动力学模型和相应的微分方程组,其中考虑了碰摩的因素。运用数值计算的方法进行动力学响应求解,得到了时间历程响应。对响应结果进行分析后表明,碰摩对冲击响应的影响是有益的,表现在转子瞬态振动最大振幅减小,转子振动能量衰减加快;对冲击碰摩动力学模型进行线性化近似处理是不合适的;冲击不会改变稳定碰摩运动形式;冲击激励持续时间对响应的影响十分明显,且当冲击激励频率接近或等于转子固有频率和涡动频率时响应较大。     

输液管道流固耦合有限元分析

输液管道问题普遍存在于工程实践中,对管道的振动进行计算分析时,需要考虑输送液体与管道的相互作用。文中使用有限元软件ANSYS和流体动力学软件CFX,建立输液管道三维模型,通过两个软件之间的数据交换,进行流固耦合分析。分析斜坡流速冲击下的输液管道的振动特性,并计算半正弦波脉冲下的振动响应。计算管道的前十阶固有频率,发现当脉冲频率接近管道固有频率时会产生拍振现象。     

液压脉振注射机塑化过程螺杆动态特性分析

采用液压激振力为驱动力的运动机构方法,将脉动压力引入到注塑成型熔融塑化整个过程。简介了塑化部分结构,分析了螺杆在动态塑化时的轴向受力状况,利用集中质量的方法建立了塑化过程广义螺杆轴向动态响应的物理和数学模型,研究了此种振动装置在塑化过程中螺杆的动态响应。结果表明,在工作频率范围内,随着振动频率增大,螺杆响应振幅减小,低频率激励的振幅放大系数高于高频率激励振幅放大系数,实验结果与理论分析相一致。     

矿井履带式移动破碎机随机振动特性研究

为了探究随机载荷作用下矿井履带式移动式破碎机破碎锤侧倾向的振动情况,以国产某型号破碎机为例,运用多体动力学和虚拟激励理论,建立了随机载荷作用下侧高位工况移动式破碎机垂直方向的数学模型,并求解得到了破碎锤破岩的载荷曲线。采用破碎机破碎过程环境载荷自由激振的实验测试研究,获得了该机型在高位侧端时受随机载荷作用下破碎锤、支臂与机身在垂直方向的响应。结果显示:侧倾方向位移响应随时间变化,大小无明显规律,且振动呈周期性变化;矿井移动式破碎机的X轴正向振动大于负向,X轴正向摆动角大于负向,振动角度不大,机身无明显晃动;Y轴正向摆动角大于负向,振动角度不大,机身无明显晃动;当各个部件振动最剧烈时,破碎锤、支臂与机身的低频、高频与固有频率相差相对不大,各个部件所达到的最高频率与固有频率的百分比不超过50%,振动不是很剧烈。     

圆锥形超声变幅杆的动力学理论分析

用微元法建立圆锥形超声变幅杆纵向振动的波动方程,用分离变量法和连续振动体的边界条件求解超越波动方程,得到圆锥形超声变幅杆放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率3个变量之间的数学表达式。为研究变幅杆的放大系数与变幅杆的大小端直径之比、长度以及外激频率的关系,依次把3个变量中的两个变量设为常量,对另外一个变量进行抽样,计算变幅杆的放大系数。通过Matlab对超声变幅杆放大系数的样本计算数据进行曲线拟合,定性分析了圆锥形超声变幅杆放大系数随变幅杆大小端直径之比、长度、外激振动频率变化的关系。     

单气室油气弹簧阻尼特性及其影响因素分析

针对某重型特种车辆平顺性研究中单气室油气弹簧阻尼特性的研究问题,基于薄壁小孔理论和范德瓦尔实际气体状态方程,同时根据单气室油气弹簧的结构特点和阻尼的组成建立了相应的阻尼力特性模型,并推导了阻尼系数方程。利用MATLAB软件进行仿真,研究了单气室油气弹簧阻尼特性以及激振频率、幅值、自身结构参数对阻尼系数速度特性的影响。研究结果表明:单气室油气弹簧阻尼特性具有较好的非线性,在压缩阶段的阻尼力较拉伸阶段的大,能够较好地缓解冲击,达到减振效果从而改善车辆行驶平顺性;激振频率和幅值属于外因,仅影响阻尼系数的取值范围,而对其取值及曲率几乎无影响;阻尼系数随活塞杆外径、油管直径的减小而增大,随油管长度的减小而减小。研究结果能对整车振动特性研究中阻尼参数的选取及油气弹簧阻尼特性设计优化等工作提供较为系统的理论支持。     

主动液压激波作用下管道振动控制的运动分析与试验研究

为研究在主动液压激波作用下管道振动的动力学特性,建立流体的数学模型,设计出变频液压管网激振测试系统,用特征线法编程对激波作用下的有压脉动内流进行数值模拟。采用有限元法把管道简化为梁模型,建立考虑流固耦合的充液管道在激波作用下的振动方程,在保证特征线各断面与有限元节点重合的前提下,采用Newmark法编程将特征线法求得的流体各断面横向压力载荷施加到管道有限元的单元节点上,求得各断面处的动力响应。仿真结果表明,管道在轴向弹性支撑条件下,在激波作用下管道各断面压力和流速为简谐波,但两者呈反相关系。其横向各断面运动为简谐振动,振幅随系统压力的升高而升高,发现管道横向各断面振动波明显滞后于各断面对应的压力波,而轴向振动则由于弹簧与液体轴向力的耦合作用而出现较高的振动频率。数值模拟结果与试验结果基本比较吻合,揭示出流体动力学参数与管道振动之间的耦合关系,为激波作用下管道的二维振动特性及可控性研究提供了一些理论依据。     

无阀微泵动态特性的固液耦合分析

根据无阀微泵的工作原理,对泵膜－流体耦合振动过程进行理论分析,推导出此状态下的非线性耦合振动方程,并采用伽辽金加权最小余量法得出方程的近似解。在此基础上讨论阻尼系数、驱动力及薄膜固有频率与薄膜振幅、相位差及无阀泵流量的关系。理论分析表明在阻尼系数较小时,在一阶固有频率附近还存在振幅增大的现象,随着阻尼系数的增大,流体对泵膜的阻力逐渐增大,振幅随着频率的增大迅速衰减,相位差也越来越快地靠近90°;驱动力一定的情况下,薄膜的固有频率越低,薄膜在低频段振动可以达到的振幅越大;对于流量而言,在低频段,流量很快就达到极大值,而且阻尼系数越大、泵膜固有频率越低、驱动力越大,流量越快到达极大值。     

Non-contact electromagnetic exciter design with linear control method

A non-contact type force actuator is necessary for studying the dynamic performance of a high-speed spindle system owing to its high-speed operating conditions. A non-contact electromagnetic exciter is designed for identifying the dynamic coefficients of journal bearings in high-speed grinding spindles. A linear force control method is developed based on PID controller. The influence of amplitude and frequency of current, misalignment and rotational speed on magnetic field and excitation force is investigated based on two-dimensional finite element analysis. The electromagnetic excitation force is measured with the auxiliary coils and calibrated by load cells. The design is validated by the experimental results. Theoretical and experimental investigations show that the proposed design can accurately generate linear excitation force with sufficiently large amplitude and higher signal to noise ratio. Moreover, the fluctuations in force amplitude are reduced to a greater extent with the designed linear control method even when the air gap changes due to the rotor vibration at high-speed conditions. Besides, it is possible to apply various types of excitations: constant, synchronous, and non-synchronous excitation forces based on the proposed linear control method. This exciter can be used as linear-force exciting and controlling system for dynamic performance study of different high-speed rotor-bearing systems.     

Dynamic analysis of Coriolis flow meter using Timoshenko beam element

Coriolis mass flow meter (CFM) is used to measure the rate of mass flow through a pipe conveying fluid. In the present work, the Coriolis effect produced in the pipe due to a lateral excitation is modeled using the finite element (FE) method in MATLAB©. The coupled equation of motion for the fluid and pipe is converted to FE equations by applying Galerkin technique. The pipe conveying fluid is excited at its fundamental natural frequency. The time lag observed between symmetrically located measurement points which are equidistant from the point of excitation, is utilized to predict the mass flow rate. The results predicted by the present code is validated using the experimental, and numerical results published in the literature. The main contribution is the development of a FE model, using three node Timoshenko beam element to analyse the dynamics of fluid conveying pipes subjected to external excitation. The direction of the Coriolis force is perpendicular to the plane containing the velocity of flow vector and angular velocity vector of the pipe. Hence a three dimensional FE model is essential. This model can include curved geometry, damping, velocity and gyroscopic effects for three dimensional flexible tubes. The reduced integration used for overcoming shear locking in two node elements, will result in the formation of spurious modes leading to an incorrect prediction of natural frequencies and velocity. These modes will not occur while using three node elements. Influence of spatial as well as temporal discretisation on the time lag and frequency are also discussed. The sensitivity analysis shows that the time lag varies linearly with the mass flow rate.     

包覆层性能对输气管道纵向模态导波传播特性的影响

对带黏弹性包覆层管道中纵向模态的传播特性进行了理论分析,对纵向模态尤其是L（0,2)模态的频散和衰减特性进行了研究。建立了沥青包覆层管道的三维有限元模型,研究了激励频率、包覆层密度以及包覆层纵波衰减系数对导波传播的影响,并在带沥青包覆层钢管中进行激励和接收 L（0,2)模态的实验。结果表明,在低频范围下,随着激励频率和包覆层密度的增大,L（0,2)模态受沥青包覆层的影响也增加,其能量衰减也逐渐增大;对于带沥青包覆层的管道,其衰减频散曲线可用作模态选取的理论指导,采用低频纵向模态超声导波对带低密度包覆层管道检测时效果较好。     

多场耦合多方向振动俘能器建模及响应分析

针对多方向振动俘能器对低频、低幅值激励的响应输出性能低等问题,在振动俘能结构中引入非线性磁吸力,提高俘能器的响应频带和能量转换效率。研究了非线性磁振子模型,建立了基于广义Hamilton变分原理的横、纵向振动系统机电耦合模型,对系统动力学方程进行无量纲化并数值求解。搭建了振动俘能器性能测试平台,开展了多场耦合振动俘能器频谱特性及响应输出的分析实验。结果表明,引入磁铁可显著提高系统能量转换效率,当磁铁间距15mm、激励幅值0.5m/s~2时,相比无磁力输入的情况,系统响应电压提高了6倍左右,谐振频率从18Hz降至9.5Hz左右,解决了压电俘能器频带窄、响应频率高及输出电压低等问题。     

电磁流量计空管检测方法研究

以电磁流量计传感器空管试验为基础，讨论了空管状态下的信号等效模型，研究了空管状态的信号特点，讨论了基于附加激励的相对电导率空管检测方法的特性，提出了一种基于干扰幅值变化分析的空管检测方法，并讨论了相关的实现方法。     

充水管道中纵向超声导波传播特性的理论分析与试验研究

从理论上得到了充非粘性液体管道中纵向超声导波的频散方程。分析了纵向模态在充水钢管和带刚性边界的水圆柱体中传播特性。除α模态,充水钢管中的其他模态均是钢管和带刚性边界的水圆柱体中各模态相互耦合的结果。对于充水钢管中同一模态,在不同频率范围,传播特性差别也较大。在充水和未充水的钢管中进行了激励和接收纵向模态的试验研究。结果表明,在充水钢管中具有模态分支、群速度降低等传播特性。当充水钢管中纵向模态的频带处于钢管中未受干扰的L(0,2)模态分支部分时,能长距离传播,由于频散较小,在传播距离较长时,波形和幅度不会发生明显变化,适合于长距离充水管道的缺陷检测。     

不同外激励参数下射流的附壁振荡特性

为获得新型外激励振荡器的振荡性能跟随外激励流参数和时变模态的改变而变化的规律和敏感性,为该振荡器的高效应用提供依据与参考,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)数值模拟和实验的方法,对激振能力和振荡射流的总压保持率K的变化进行了考察。结果表明:总压保持率K随外激励流总压的降低而减小;非激励侧泄漏的激励流也使K略降,但却显著降低了激振能力;而激励流占空比减小即提前关断,会显著降低振荡射流总压保持率;激励流起始压力渐升的影响较小,而中后期压力丧失或渐降,会使K有较大跌落。研究证明,外激励振荡器对激励流参数的变化具有较强的适应性,20%以内的变化不影响振荡稳定,仍能维持较高的总压保持率K,可振区间内最低K比现有的自激励振荡器高出10%以上。